Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Miguel Antunes da Fonseca Ribeiro Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Julho 2010 Orientador: Prof. Dr. Filipe Silva (DETI-IEETA) Co-Orientador: Prof. Dr. Vítor Santos (DEM-TEMA)

Sumário Motivação Objectivos Trabalho desenvolvido Resultados Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Sumário Motivação Objectivos Trabalho desenvolvido Resultados Conclusões Trabalho futuro Referências Bibliográficas a<-> servomotores

Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Motivação Validação do desempenho electromecânico da nova plataforma humanóide; Demonstração experimental dos benefícios da actuação e do controlo híbridos; Concepção de um novo algoritmo de locomoção devido à integração de tecnologia mais recente; Desenvolvimento de novas soluções de engenharia. Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Objectivos Conhecer o trabalho desenvolvido com a antiga plataforma humanóide; Conhecer a estrutura e particularidades da nova plataforma; Estudar e testar novos componentes tecnológicos; Projectar os sistemas sensorial, motor e comunicacional; Implementar algoritmo de locomoção baseado na nova informação sensorial; Conceber PCBs (master / slaves); Escrever documentação detalhada e dissertação. Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Plataforma Humanóide (membros inferiores) Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Plataforma Humanóide (membros inferiores) 15 motores 2 analógicos 13 digitais 8 sensores de força Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Motores Característica Digitais Analógicos Referência HSR-5980SG Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Motores Característica Digitais Analógicos Referência HSR-5980SG HS-82MG Binário (N.m) [2,352 ; 2,94] [0,27 ; 0,33] Tensão (V) [6,0 ; 7.4] [4,8 ; 6,0] Corrente Máxima (mA) 5200 Amplitude (º) 180 Comunicação Protocolo HMI, Serial Protocolo HMI Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Protocolo de Comunicação Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Protocolo de Comunicação Interface: RS-232 Trama SERVO’S TERMINAL 2,2KΩ +[6.0;7.4] V 5 2 3 RX GND TX Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores 1 2 3 4 5 6 7 Host: 0x80 Command Param1 Param2 Checksum 0x00 Servo: Alta-Impedância Return1 Return2

Gerador de trajectória Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Controlo de Posição Trajectória Posição-alvo Velocidade Gerador de trajectória PD-Control Ganho P Ganho D Zona- Morta PWM MOTOR Posição actual Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Sensores de Força Referência: Interface LBS-5 Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Sensores de Força Referência: Interface LBS-5 Capacidade: 5 lbf ≈ 2.27 kgf Tensão de excitação: 5 Vdc Sensibilidade: 2 mV/V Resistência: 350 Ω Compensação de temperatura Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Diagrama de Blocos MASTER SLAVE Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Diagrama de Blocos MASTER (CAN 1) Slave Sensores inerciais (CAN 2) PC-104 (UART) MPLab ICD2 SLAVE (CAN 1) Master Sensores de força (ADC) Motores Digitais (UART) Motor analógico (PWM) (ADC) ID MPLAB ICD2 Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

CAN vs. ECAN CAN ECAN Ambientes de baixo tráfego Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide CAN vs. ECAN CAN ECAN Ambientes de baixo tráfego Ambientes com elevado tráfego São recebidas e processadas poucas mensagens pelo sistema (até 6) São recebidas e processadas muitas mensagens pelo sistema (mais de 6) Não existem ou existem poucas transmissões sucessivas de grande quantidade de informação Existem muitas transmissões sucessivas de grande quantidade de informação Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

µControlador Característica PIC18F2580 dsPIC33FJ128GP706 Arquitectura Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide µControlador Característica PIC18F2580 dsPIC33FJ128GP706 Arquitectura 8 16 Memória Programa (KBytes) 32 128 EEPROM (Kbytes) 256 RAM (KBytes) 1536 16384 Número de PINs 28 64 Velocidade CPU (MIPS) 10 40 Módulos UART 1 2 Módulos ECAN Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide PCB para teste Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

amplificadores de instrumentação Interruptor dos servos Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide PCB para teste amplificadores de instrumentação Linhas de alimentação RS-232 Interruptor dos servos MAX 3223 ID µC Transceiver ADC ECAN Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Software desenvolvido Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Software desenvolvido Device Drivers UART ADC Controlo dos motores digitais Alguns movimentos da perna Leitura dos sensores de força Ainda sem calibração Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Resultados Motores Digitais Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Resultados Motores Digitais Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Resultados Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Resultados Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Conclusões O servomotor tem uma resposta com e sem carga bastante satisfatória; A velocidade máxima teórica não é corroborada pelos testes realizados; O mecanismo de controlo de posição é afectado pela leitura de tensão e largura de pulso; Bom desempenho electromecânico de uma perna do robô humanóide.

Trabalho futuro Desenvolver software: Calibrar sensores de força; Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Trabalho futuro Desenvolver software: Device drivers: ECAN; Algoritmo de locomoção baseado em dados sensoriais (centro de pressão). Calibrar sensores de força; Projectar controlador de velocidade para servomotores; Conceber PCB final; Integrar outros sensores (giroscópios, acelerómetros); Escrever documentação detalhada e dissertação. Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Referências Bibliográficas (1) Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Referências Bibliográficas (1) MICROCHIP. “dsPIC® Digital Signal Controllers: The Best of Both Worlds”. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: http://www.microchip.com/stellent/groups/dspic_sg/docum ents/devicedoc/en535712.pdf. Documento consultado em Julho de 2010. MICROCHIP. “dsPIC33F Family Data Sheet”. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70165 a.pdf. Documento consultado em Julho de 2010. MICROCHIP. “dsPIC33FJXXXGPX06/X08/X10 Data Sheet”. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70286 C.pdf. Documento consultado em Julho de 2010. Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Referências Bibliográficas (2) Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Referências Bibliográficas (2) Ibbotson, Richard. “Hitec Robot Servos”. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: http://www.staff.uni- bayreuth.de/~btp918/cmt2007/geraete/hitec_hsr/HSR_Seri al_communication.pdf. Última actualização em 23 de Setembro de 2007. INTERFACE. “Model LBM Compression Load Button”. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: http://www.interfaceforce.com/documents/LBM_54.pdf. Última actualização em 5 de Julho de 2006. INTERFACE. “LBM Load Button Load Cell”. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: http://www.interfaceforce.com/documents/LBM_CCII.pdf. Última actualização em 5 de Julho de 2006. Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores

Desenvolvimento dos Sistemas Sensorial e Motor para a Locomoção de um Robô Humanóide Questões/Críticas Desempenho electromecânico – motores <-> servomotores